JP3990678B2

JP3990678B2 - Gas turbine combustor

Info

Publication number: JP3990678B2
Application number: JP2004075609A
Authority: JP
Inventors: 弘行二宮; 剛生小田; 正佳小林
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP2005265232A

Description

本発明は、ＮＯｘ排出量の少ない予混合燃料ノズルを備えた、航空用および発電のような産業用のガスタービン燃焼器に関する。 The present invention relates to gas turbine combustors for industrial use, such as aviation and power generation, equipped with premixed fuel nozzles with low NOx emissions.

従来、航空用や発電など産業用のガスタービン燃焼器として、拡散燃焼方式による燃焼器が広く採用されている。この燃焼器は、ノズルとして拡散燃料ノズルを用い、拡散燃料ノズルから噴射された燃料と空気とが拡散・混合しながら燃焼するようにしたものであり、燃料と空気は不均一かつ低出力時でも量論比以上の当量比、すなわち比較的燃料が濃い混合状態で燃焼される。そのため、局所的に燃料濃度の濃い部分ができ、点火時にこの濃い部分で容易に着火するので、特に着火性能の点で優れている。また、低出力時にも吹き消えが起こりにくく、保炎性能の点でも優れるという利点がある。 Conventionally, a diffusion combustion type combustor has been widely used as an industrial gas turbine combustor for aviation and power generation. This combustor uses a diffusion fuel nozzle as a nozzle, and the fuel and air injected from the diffusion fuel nozzle burn while being diffused and mixed. Even when the fuel and air are uneven and at low output Equivalence ratio equal to or higher than the stoichiometric ratio, that is, the fuel is burned in a relatively rich mixed state. For this reason, a portion having a high fuel concentration is locally formed and ignition is easily performed at the dark portion at the time of ignition, so that the ignition performance is particularly excellent. In addition, there is an advantage that blow-off hardly occurs even at a low output, and the flame holding performance is excellent.

しかしながら、前記拡散燃焼方式による燃焼器の場合、燃焼時にＮＯｘを多量に排出するので大気汚染上好ましくなく、今後、一層厳しくなるＮＯｘ排出基準に適合し得なくなるものと予想される。このＮＯｘを削減して低ＮＯｘ化を図るためには、平均火炎温度の低下と火炎温度の均一化を実現する必要があり、燃料と空気を均一かつ希薄に混合して燃焼させることが必要となる。このような低ＮＯｘ化を実現できるガスタービンの燃焼方式として、希薄予混合燃焼方式がある。 However, in the case of the combustor using the diffusion combustion system, a large amount of NOx is discharged at the time of combustion, which is undesirable from the viewpoint of air pollution, and it is expected that the NOx emission standard that will become stricter in the future cannot be met. In order to reduce NOx and reduce NOx, it is necessary to lower the average flame temperature and make the flame temperature uniform, and it is necessary to mix fuel and air in a uniform and lean manner for combustion. Become. There is a lean premixed combustion method as a combustion method of a gas turbine capable of realizing such low NOx.

この希薄予混合燃焼方式は、ノズルとして予混合燃料ノズルを用いたもので、燃料と空気とを燃料希薄な状態で予め混合させてから燃焼させるようにしたものである（例えば特許文献１参照）。この方式では、燃料と空気が均一かつ希薄に混合される結果、低ＮＯｘ燃焼が行われる。
特開２０００−３５６３１５（図２） This lean premixed combustion method uses a premixed fuel nozzle as a nozzle, and is made to burn after premixing fuel and air in a fuel lean state (see, for example, Patent Document 1). . In this system, fuel and air are mixed uniformly and leanly, resulting in low NOx combustion.
JP 2000-356315 (FIG. 2)

ところが、低ＮＯｘ化を目的とする前記希薄予混合燃焼方式による燃焼器によれば、燃焼時の低ＮＯｘ化は期待できるものの、前記拡散燃料ノズルに比べ、着火性能の点で劣り、低出力時に吹き消えが起こり易い。このように、前記拡散燃焼方式による燃焼器および予混合燃焼方式による燃焼器では、いずれもそれぞれ課題を有しており、これまでの燃焼器では、低ＮＯｘ化と安定燃焼を両立させることが困難であった。 However, according to the lean premixed combustion system combustor for the purpose of reducing NOx, although NOx reduction during combustion can be expected, it is inferior in terms of ignition performance compared to the diffusion fuel nozzle, and at low output. Blown out easily occurs. As described above, both the diffusion combustion type combustor and the premixed combustion type combustor have respective problems, and it is difficult to achieve both low NOx and stable combustion with the conventional combustors. Met.

そこで、本発明は、低ＮＯｘ化に優れる予混合燃料ノズルの低ＮＯｘ燃焼性能を損なうことなく着火性能と安定燃焼性能を維持できるガスタービン燃焼器を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas turbine combustor capable of maintaining ignition performance and stable combustion performance without impairing the low NOx combustion performance of a premixed fuel nozzle excellent in reducing NOx.

上記目的を達成するために、本発明のガスタービン燃焼器は、内部に燃焼室を形成する環状の燃焼筒と、前記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給装置と、イグナイタとを備えたガスタービン燃焼器であって、前記燃料供給装置は、すべての出力領域で作動し、燃料と空気を混合したのち前記燃焼室に供給して希薄予混合燃焼を行わせる予混合燃料ノズルと、燃料を前記燃焼室に噴射して空気と混合させながら拡散燃焼を行わせる拡散燃料ノズルとを備え、前記予混合燃料ノズルおよび拡散燃料ノズルが、前記環状の燃焼筒と同心の単一の円上に配列されており、前記拡散燃料ノズルが前記イグナイタの近傍に配置されている。 In order to achieve the above object, a gas turbine combustor according to the present invention includes an annular combustion cylinder that forms a combustion chamber therein, a fuel supply device that supplies fuel into the combustion chamber, and an igniter. The fuel supply device operates in all output regions, mixes fuel and air, and then supplies the fuel to the combustion chamber to perform lean premix combustion, and the fuel is supplied to the combustion chamber. A diffusion fuel nozzle for performing diffusion combustion while being injected into the combustion chamber and mixing with air, wherein the premix fuel nozzle and the diffusion fuel nozzle are arranged on a single circle concentric with the annular combustion cylinder The diffusion fuel nozzle is arranged in the vicinity of the igniter.

この構成によれば、拡散燃料ノズルから燃焼室に燃料が噴射されると、燃料と空気は若干不均一で比較的燃料が濃い状態で混合されるために、局所的に燃料濃度の高い部分が形成される。したがって、始動着火時、この拡散燃料ノズルの近傍にあるイグナイタにより容易に着火する。前記拡散燃料ノズルからの燃料に着火すると、その高温の燃焼ガスにより、隣り合う燃料ノズルである予混合燃料ノズルからの混合気に火炎が次々と伝播し、全ての燃料ノズルが着火する。しかも、これら全てのノズルが環状の燃焼筒と同心の単一の円上に配列されていることで、燃焼筒内での均一な燃焼が可能となる。また、拡散燃料ノズルは保炎性に優れているために吹き消えも起こりにくく、低出力時においても安定燃焼が実現する。さらに、前記拡散燃料ノズル以外は予混合燃料ノズルであって、燃料と空気が均一かつ希薄に混合されたのち燃焼室に供給されるので、低ＮＯｘ燃焼が行われる。このように、優れた着火性能および安定燃焼性能と低ＮＯｘ化とをバランスよく両立させることができる。 According to this configuration, when the fuel is injected from the diffusion fuel nozzle into the combustion chamber, the fuel and air are slightly non-uniform and mixed in a relatively rich state. It is formed. Therefore, at the time of starting ignition, ignition is easily performed by the igniter in the vicinity of the diffusion fuel nozzle. When the fuel from the diffusion fuel nozzle is ignited, the high-temperature combustion gas causes the flame to propagate one after another to the air-fuel mixture from the premixed fuel nozzle, which is an adjacent fuel nozzle, and all the fuel nozzles are ignited. In addition, since all these nozzles are arranged on a single circle concentric with the annular combustion cylinder, uniform combustion in the combustion cylinder becomes possible. Further, since the diffusion fuel nozzle is excellent in flame holding properties, it is difficult for blowout to occur, and stable combustion is realized even at low output. Further, the fuel nozzle other than the diffusion fuel nozzle is a premixed fuel nozzle, and the fuel and air are mixed uniformly and leanly and then supplied to the combustion chamber, so that low NOx combustion is performed. Thus, excellent ignition performance and stable combustion performance and low NOx can be achieved in a balanced manner.

本発明の好ましい実施形態では、前記燃焼筒に、その軸方向における前記拡散燃料ノズルの下流側に位置して、前記予混合燃料ノズルから流入する空気量と前記拡散燃料ノズルから流入する空気量との差に相当する空気量を燃焼室に導入する空気導入口が設けられている。 In a preferred embodiment of the present invention, the amount of air flowing in from the premixed fuel nozzle and the amount of air flowing in from the diffusion fuel nozzle are positioned downstream of the diffusion fuel nozzle in the axial direction in the combustion cylinder. An air introduction port is provided for introducing an air amount corresponding to the difference between the two into the combustion chamber.

この構成によれば、一般に予混合燃料ノズルよりも空気量の少ない拡散燃料ノズルの設置により燃焼器出口でのガス温度分布の均一性が劣化するのを、前記空気導入孔から導入される空気により防止できる。 According to this configuration, the uniformity of the gas temperature distribution at the combustor outlet is generally deteriorated by the air introduced from the air introduction hole due to the installation of the diffusion fuel nozzle having a smaller amount of air than the premixed fuel nozzle. Can be prevented.

本発明の好ましい実施形態では、前記予混合燃料ノズルに代えて、ハイブリッド燃料ノズルを設けている。このハイブリッド燃料ノズルは、燃料を前記燃焼室に噴射して空気と混合させながら拡散燃焼を行わせる拡散燃料ノズル部と、その外側を覆うように同軸状に配置されて燃料と空気を混合したのち前記燃焼室に供給して希薄予混合燃焼を行わせる環状の予混合燃料ノズル部とを有している。 In a preferred embodiment of the present invention, a hybrid fuel nozzle is provided in place of the premixed fuel nozzle. This hybrid fuel nozzle is disposed coaxially so as to cover the outer side of the diffusion fuel nozzle portion that performs diffusion combustion while injecting fuel into the combustion chamber and mixing it with air, and after mixing the fuel and air And an annular premixed fuel nozzle for supplying lean combustion to the combustion chamber.

このハイブリッド燃料ノズルを用いた燃焼器１においても、主として低出力時には、条件変動により、吹き消えが発生する場合があるが、イグナイタの近傍に配置された拡散燃料ノズルによって優れた保炎性能（安定燃焼）および着火性能が実現し、かつ、ハイブリッド燃料ノズルの予混合燃料ノズル部により低ＮＯｘ燃焼が行われる。 Even in the combustor 1 using this hybrid fuel nozzle, blowout may occur mainly due to condition fluctuations at low output, but excellent flame holding performance (stable with a diffusion fuel nozzle arranged in the vicinity of the igniter) Combustion) and ignition performance are realized, and low NOx combustion is performed by the premixed fuel nozzle portion of the hybrid fuel nozzle.

本発明のガスタービン燃焼器によれば、始動着火は拡散燃料ノズルで行い、主な燃焼は予混合燃料ノズルまたはハイブリッド燃料ノズルで行うので、拡散燃料ノズルの特性によって優れた着火性能および保炎性能（安定燃焼）が実現されるとともに、予混合燃料ノズルまたはハイブリッド燃料ノズルの特性によって低ＮＯｘ化が図れるので、優れた着火性能および安定燃焼と、低ＮＯｘ化の両方を実現することができる。また、予混合燃料ノズルまたはハイブリッド燃料ノズルに変更を加える必要がなく、従来の予混合燃料ノズルまたはハイブリッド燃料ノズル単独の燃焼器に対して僅かな改良を加えるだけで製造できるので、開発期間を短縮でき、生産性が高く、製造コストも低く抑えることができる。 According to the gas turbine combustor of the present invention, the starting ignition is performed by the diffusion fuel nozzle, and the main combustion is performed by the premixed fuel nozzle or the hybrid fuel nozzle. Therefore, excellent ignition performance and flame holding performance depending on the characteristics of the diffusion fuel nozzle. Since (stable combustion) is realized and NOx reduction can be achieved by the characteristics of the premixed fuel nozzle or the hybrid fuel nozzle, both excellent ignition performance and stable combustion and low NOx can be realized. In addition, there is no need to make changes to the premixed fuel nozzle or hybrid fuel nozzle, and it can be manufactured with only a slight improvement over the conventional premixed fuel nozzle or hybrid fuel nozzle single combustor, thus shortening the development period. The productivity is high and the manufacturing cost can be kept low.

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器の頭部を示している。この燃焼器１は、ガスタービンの図示しない圧縮機から供給される圧縮空気を燃焼させて、タービンを駆動する燃焼ガスを生成するもので、環状に複数の予混合燃料ノズルが配置されたアニュラー型である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a head of a gas turbine combustor according to a first embodiment of the present invention. This combustor 1 burns compressed air supplied from a compressor (not shown) of a gas turbine to generate combustion gas for driving the turbine, and is an annular type in which a plurality of premixed fuel nozzles are arranged in an annular shape. It is.

ガスタービン燃焼器１は、内部に燃焼室２ａを形成する環状の燃焼筒２を有し、その頂壁２ｂに、前記燃焼室２ａ内に燃料を供給する燃料供給装置３として、拡散燃料ノズル６と予混合燃料ノズル７とが配置されている。これらノズルのうち、前記予混合燃料ノズル７は予め燃料と空気を混合したのち、前記燃焼室２ａに供給するものであり、前記燃焼筒２と同心の単一の円Ｃ上に１４〜２４個設けられている。一方、拡散燃料ノズル６は、燃料を燃焼室２ａに拡散させながら噴射するものであり、前記予混合燃料ノズル７が配置された円Ｃ１上に１〜２個、この例では、燃焼管２の周方向にほぼ９０°離間して２個配置されている。両ノズル６，７は混在した状態で、前記円Ｃ上に周方向に等間隔で配置されている。前記燃焼筒２の外周壁２ｃには、着火を行うためのイグナイタ４が前記拡散燃料ノズル６の近傍の径方向外方に位置するように設置されている。 The gas turbine combustor 1 has an annular combustion cylinder 2 that forms a combustion chamber 2a therein, and a diffusion fuel nozzle 6 as a fuel supply device 3 that supplies fuel to the top wall 2b of the combustion chamber 2a. And a premixed fuel nozzle 7 are arranged. Among these nozzles, the premixed fuel nozzle 7 mixes fuel and air in advance and then supplies the fuel to the combustion chamber 2a. 14 to 24 nozzles on a single circle C concentric with the combustion cylinder 2 Is provided. On the other hand, the diffusion fuel nozzle 6 injects the fuel while diffusing it into the combustion chamber 2a. One or two diffusion fuel nozzles 6 are arranged on the circle C1 where the premixed fuel nozzle 7 is disposed. Two pieces are arranged approximately 90 ° apart in the circumferential direction. Both nozzles 6 and 7 are mixed and arranged on the circle C at equal intervals in the circumferential direction. An igniter 4 for performing ignition is installed on the outer peripheral wall 2 c of the combustion cylinder 2 so as to be positioned radially outward in the vicinity of the diffusion fuel nozzle 6.

図２は図１のII−II線に沿った断面を示しており、燃焼筒２に対する拡散燃料ノズル６とイグナイタ４の位置関係を示している。同図において、拡散燃料ノズル６は、ノズル本体３１と、このノズル本体３１に一体形成されてノズル本体３１を図示しない燃焼器ハウジング（外筒）に支持するためのステム３２とを有している。前記ノズル本体３１には同心状に３つの環状空気通路５ａ〜５ｃが形成されており、上流側の圧縮機（図示せず）で圧縮された空気Ａはこれらの空気通路５ａ〜５ｃを通って燃焼室２ａ内に導入される。 FIG. 2 shows a cross section taken along line II-II in FIG. 1 and shows the positional relationship between the diffusion fuel nozzle 6 and the igniter 4 with respect to the combustion cylinder 2. In the figure, the diffusion fuel nozzle 6 has a nozzle body 31 and a stem 32 that is integrally formed with the nozzle body 31 and supports the nozzle body 31 on a combustor housing (outer cylinder) (not shown). . Three annular air passages 5a to 5c are concentrically formed in the nozzle body 31, and air A compressed by an upstream compressor (not shown) passes through these air passages 5a to 5c. It is introduced into the combustion chamber 2a.

前記空気通路５ａ，５ｂ，５ｃには、各通路に１つずつ、合計３つのスワーラ６ａ，６ｂ，６ｃが配置されており、各空気通路５ａ〜５ｃを通過する空気Ａに旋回を与えている。 A total of three swirlers 6a, 6b, 6c are arranged in the air passages 5a, 5b, 5c, one for each passage, and the air A passing through the air passages 5a-5c is swirled. .

また、環状の燃焼筒２には、その軸方向における拡散燃料ノズル６およびイグナイタ４の下流側に空気導入孔３５が設けられている。この空気導入孔３５からは、予混合燃料ノズル７から流入する空気量と拡散燃料ノズル６から流入する空気量との差に相当する空気量が、燃焼室２ａに導入される。 The annular combustion cylinder 2 is provided with an air introduction hole 35 on the downstream side of the diffusion fuel nozzle 6 and the igniter 4 in the axial direction. From this air introduction hole 35, an air amount corresponding to the difference between the amount of air flowing from the premixed fuel nozzle 7 and the amount of air flowing from the diffusion fuel nozzle 6 is introduced into the combustion chamber 2a.

また、前記ステムの内部には、外部から燃料Ｆを導入する燃料通路７ａが形成されており、ノズル本体３１の軸心方向に形成した燃料通路７ｂに連通して、これら燃料通路７ａ，７ｂを通った燃料Ｆを、ノズル本体３１の先端から拡散させながら燃焼室２ａ側に噴射するようになっている。燃料通路７ｂから噴射された燃料Ｆは、前記空気通路５ａ〜５ｃから燃焼室２ａに流入する空気Ａと混合しながら拡散燃焼を行う。その際、燃料Ｆは空気Ａにより微粒子化され、かつ燃焼が安定化される。 A fuel passage 7a for introducing fuel F from the outside is formed inside the stem. The fuel passage 7a communicates with the fuel passage 7b formed in the axial direction of the nozzle body 31, and the fuel passages 7a and 7b are connected to the stem. The fuel F that has passed through is injected into the combustion chamber 2 a side while diffusing from the tip of the nozzle body 31. The fuel F injected from the fuel passage 7b performs diffusion combustion while mixing with the air A flowing into the combustion chamber 2a from the air passages 5a to 5c. At that time, the fuel F is atomized by the air A and the combustion is stabilized.

図３は図１のIII −III 線断面を示しており、燃焼筒２に対する予混合燃料ノズル７の位置関係を示している。同図において、予混合燃料ノズル７は、ノズル本体４１とこのノズル本体４１に一体形成されてノズル本体４１を燃焼器ハウジングに支持するためのステム４２とを有している。前記ノズル本体４１内には外部の圧縮機で圧縮された空気Ａが導入される二重の環状空気通路８ａ，８ｂが形成され、各空気通路８ａ，８ｂに、空気流に旋回を付与するスワーラ９ａ，９ｂが設けられている。前記ステム４２には、燃料Ｆを導入する燃料通路１０ａ，１０ｂが形成され、ノズル本体４１の軸心方向に形成された燃料通路１０ｃ，１０ｄにそれぞれ連通している。各スワーラ９ａ，９ｂの近傍の下流側に、前記燃料通路１０ｃ，１０ｄに連通する噴射孔１１ａ，１１ｂが、それぞれ周方向に等間隔で複数配置されている。 FIG. 3 shows a cross section taken along line III-III in FIG. 1 and shows the positional relationship of the premixed fuel nozzle 7 with respect to the combustion cylinder 2. In the figure, the premix fuel nozzle 7 has a nozzle body 41 and a stem 42 that is integrally formed with the nozzle body 41 and supports the nozzle body 41 on the combustor housing. Double annular air passages 8a and 8b into which air A compressed by an external compressor is introduced are formed in the nozzle body 41, and a swirler that imparts a swirl to the air flow in each of the air passages 8a and 8b. 9a and 9b are provided. Fuel passages 10 a and 10 b for introducing fuel F are formed in the stem 42 and communicate with fuel passages 10 c and 10 d formed in the axial direction of the nozzle body 41, respectively. A plurality of injection holes 11a and 11b communicating with the fuel passages 10c and 10d are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the downstream side near the swirlers 9a and 9b.

このような構成のノズルにおいて、符号Ｌで示す部分、つまりスワーラ９ａ，９ｂの下流は、空気Ａと燃料Ｆを均一かつ希薄に混合させる予混合通路１２ａ，１２ｂとして構成され、前記空気通路８ａ，８ｂを通過して旋回が付与された空気Ａと、前記噴射孔１１ａ，１１ｂから噴射された燃料Ｆとが、前記予混合通路１２ａ，１２ｂ内で均一かつ希薄に混合されたのち、燃焼室２ａ内に導入される。 In the nozzle having such a configuration, the portion indicated by the symbol L, that is, the downstream of the swirlers 9a and 9b, is configured as premixing passages 12a and 12b for mixing the air A and the fuel F uniformly and leanly. After the air A that has been swirled after passing through 8b and the fuel F injected from the injection holes 11a and 11b are uniformly and leanly mixed in the premixing passages 12a and 12b, the combustion chamber 2a Introduced in.

次に、前記構成にかかるガスタービン燃焼器の動作について説明する。ガスタービンの始動着火は、図２に示すように、イグナイタ４による点火操作により行われる。その際、イグナイタ４の近傍に拡散燃料ノズル６が配置されているから、この拡散燃料ノズル６から噴射される燃料Ｆに着火する。このとき、拡散燃料ノズル６からの空気Ａと燃料Ｆは、その大部分がノズル出口３７を出て燃焼室２ａ内で混合されるが、その混合は不均一であり、比較的燃料が濃い。その結果、燃焼筒２内の燃焼領域Ｂでは、燃料Ｆの濃い部分と薄い部分とが混在して形成される。さらに、圧縮機から供給される空気Ａの一部は、燃料ノズル６，７をバイパスして空気導入孔３５から直接、燃焼室２ａ内に入るので、燃料ノズル６，７を通る空気量がそれだけ減少する。したがって、空気導入孔３５の上流では混合気の平均断面流速は、空気導入孔３５を設けない場合よりも遅くなっている。このような状態で前記イグナイタ４が点火すると、前記燃料Ｆの濃い部分が迅やかに着火するので、着火が容易かつ確実になる。 Next, the operation of the gas turbine combustor according to the above configuration will be described. As shown in FIG. 2, the start ignition of the gas turbine is performed by an ignition operation by the igniter 4. At this time, since the diffusion fuel nozzle 6 is disposed in the vicinity of the igniter 4, the fuel F injected from the diffusion fuel nozzle 6 is ignited. At this time, most of the air A and fuel F from the diffusion fuel nozzle 6 exit the nozzle outlet 37 and are mixed in the combustion chamber 2a, but the mixing is uneven and the fuel is relatively thick. As a result, in the combustion region B in the combustion cylinder 2, a thick portion and a thin portion of the fuel F are formed in a mixed manner. Further, a part of the air A supplied from the compressor bypasses the fuel nozzles 6 and 7 and directly enters the combustion chamber 2a from the air introduction hole 35, so that the amount of air passing through the fuel nozzles 6 and 7 is that much. Decrease. Therefore, the average cross-sectional flow velocity of the air-fuel mixture is slower in the upstream of the air introduction hole 35 than in the case where the air introduction hole 35 is not provided. When the igniter 4 is ignited in such a state, the rich portion of the fuel F is ignited quickly, so that ignition is easy and reliable.

一方、図３に示すように、予混合燃料ノズル７では、空気通路８ａ，８ｂから導入された空気Ａと、ステム４２の燃料通路１０ａ，１０ｂから導入された燃料Ｆとは、予混合通路１２ａ，１２ｂで十分混合されて均一で希薄な混合気となったのち、燃焼室２ａ内に導入される。このように、均一で希薄な混合気が燃焼室２ａ内に導入されるが、先に着火した拡散燃料ノズル６（図２）の火炎が前記予混合燃料ノズル７側に伝播し、燃焼領域Ｂにある均一で希薄な混合気に着火して燃焼する。このように、まず拡散燃料ノズル６が着火すると、その高温ガスによって、隣接する予混合燃料ノズル７へ火炎が次々に伝播し、全ての予混合燃料ノズル７が着火して燃焼筒２の燃焼室２ａ内で燃焼し、燃焼ガスをタービンに供給する。前記燃焼室２ａ内での燃焼は、図１に示すように、予混合燃料ノズル７と拡散燃料ノズル６が全て環状の燃焼筒２ａと同心の単一円Ｃ上に配列されていることで、均一な燃焼状態が得られる。 On the other hand, as shown in FIG. 3, in the premix fuel nozzle 7, the air A introduced from the air passages 8a and 8b and the fuel F introduced from the fuel passages 10a and 10b of the stem 42 are separated from each other by the premix passage 12a. , 12b are mixed sufficiently to form a uniform and lean mixture, and then introduced into the combustion chamber 2a. In this way, a uniform and lean air-fuel mixture is introduced into the combustion chamber 2a, but the flame of the diffusion fuel nozzle 6 (FIG. 2) that has been ignited first propagates to the premix fuel nozzle 7 side, and the combustion region B It ignites and burns a uniform and lean mixture. Thus, when the diffusion fuel nozzle 6 is first ignited, the high-temperature gas causes the flame to propagate to the adjacent premixed fuel nozzles 7 one after another, and all the premixed fuel nozzles 7 are ignited and the combustion chamber of the combustion cylinder 2 is fired. Combusting in 2a and supplying combustion gas to the turbine. As shown in FIG. 1, the combustion in the combustion chamber 2a is such that the premix fuel nozzle 7 and the diffusion fuel nozzle 6 are all arranged on a single circle C concentric with the annular combustion cylinder 2a. A uniform combustion state is obtained.

主として低出力時には、条件変動により、予混合燃料ノズル７が吹き消えるおそれがあ。しかしながら、拡散燃料ノズル６は保炎性能に優れているため、多少の条件変動があっても吹き消えは起こらない。そのため、万一、予混合燃料ノズル７が一時的に吹き消えるようなことがあっても、前記拡散燃料ノズル６からの火炎によって容易に再着火する。このように、この燃焼器１によれば、拡散燃料ノズル６によって安定燃焼が維持された状態で、予混合燃料ノズル７により低ＮＯｘ燃焼が行われる。したがって、確実な着火と優れた保炎性能が得られ、かつ低ＮＯｘ化が実現される。また、予混合燃料ノズル７に変更を加える必要がなく、従来の予混合燃料ノズル単独の燃焼器に対して僅かな改良を加えるだけで製造できるので、開発期間を短縮でき、生産性が高く、製造コストも低く抑えることができる。 When the output is low, the premixed fuel nozzle 7 may blow off due to fluctuations in conditions. However, since the diffusion fuel nozzle 6 is excellent in flame holding performance, blow-off does not occur even if there are some fluctuations in conditions. Therefore, even if the premixed fuel nozzle 7 is blown out temporarily, it is easily reignited by the flame from the diffusion fuel nozzle 6. Thus, according to the combustor 1, low NOx combustion is performed by the premixed fuel nozzle 7 in a state where stable combustion is maintained by the diffusion fuel nozzle 6. Therefore, reliable ignition and excellent flame holding performance are obtained, and low NOx is realized. In addition, it is not necessary to change the premixed fuel nozzle 7, and since it can be manufactured by adding a slight improvement to the conventional premixed fuel nozzle single combustor, the development period can be shortened and the productivity is high. Manufacturing costs can also be kept low.

また、一般に、拡散燃料ノズル６から流入する空気量は、予混合燃料ノズル７から流入する空気量よりも少ないので、拡散燃料ノズル６の下流近傍においては燃焼器断面流速が局所的に低くなり、その結果、燃焼器出口での周方向のガス温度分布が不均一になる傾向がある。この傾向が、図２に示す空気導入孔３５により解消される。つまり、空気導入孔３５から導入される空気Ａにより、空気導入孔３５の下流における燃焼器断面流速が周方向に均一化される結果、燃焼器出口での周方向のガス温度分布が均一化される。 In general, the amount of air flowing in from the diffusion fuel nozzle 6 is smaller than the amount of air flowing in from the premixed fuel nozzle 7, so the combustor cross-sectional flow velocity is locally low in the vicinity of the downstream of the diffusion fuel nozzle 6, As a result, the gas temperature distribution in the circumferential direction at the combustor outlet tends to be non-uniform. This tendency is eliminated by the air introduction hole 35 shown in FIG. That is, the air A introduced from the air introduction hole 35 makes the combustor cross-sectional flow velocity downstream of the air introduction hole 35 uniform in the circumferential direction, and as a result, the circumferential gas temperature distribution at the combustor outlet is made uniform. The

図４は第１実施形態の変形例であるハイブリッド燃料ノズル４７を示す。このハイブリッド燃料ノズル４７は、図３の予混合燃料ノズル７に代えて使用されるもので、予混合燃料ノズル７の内側予混合通路１２ａの部分に拡散燃料ノズル部を設けている。すなわち、図４のノズル本体４１内に、円筒状の拡散燃料ノズル部４８と、その外側の環状の予混合燃料ノズル部４９とを同軸状に配置している。円筒体からなるノズル本体４内には外部の圧縮機で圧縮された空気Ａが導入される二重の環状空気通路５１，５２が形成され、各空気通路５１，５２に、空気流に旋回を付与するスワーラ５３，５４が設けられている。 FIG. 4 shows a hybrid fuel nozzle 47 which is a modification of the first embodiment. This hybrid fuel nozzle 47 is used in place of the premixed fuel nozzle 7 of FIG. 3, and a diffusion fuel nozzle portion is provided in the inner premix passage 12 a of the premixed fuel nozzle 7. That is, a cylindrical diffusion fuel nozzle portion 48 and an annular premixed fuel nozzle portion 49 on the outer side thereof are coaxially arranged in the nozzle body 41 of FIG. Double annular air passages 51 and 52 into which air A compressed by an external compressor is introduced are formed in the nozzle body 4 made of a cylindrical body, and the air passages 51 and 52 are swirled in the air flow. Swirlers 53 and 54 to be provided are provided.

ノズル本体４１を燃焼器ハウジングに支持するためのステム４２には、燃料Ｆを導入する燃料通路５６，５７が形成され、ノズル本体４１の軸心方向に形成された燃料通路５８，５９にそれぞれ連通している。各スワーラ５３，５４の近傍の下流側に、前記燃料通路５８，５９に連通する噴射孔６１，６２が、それぞれ周方向に等間隔で複数配置されている。予混合燃料ノズル部４９の噴射孔６２から噴射された燃料は空気Ａと混合され、予混合通路６３内で十分混合されて均一で希薄な混合気となったのち、燃焼室２ａ内に導入される。 The stem 42 for supporting the nozzle body 41 in the combustor housing is formed with fuel passages 56 and 57 for introducing the fuel F, and communicates with the fuel passages 58 and 59 formed in the axial direction of the nozzle body 41, respectively. is doing. A plurality of injection holes 61, 62 communicating with the fuel passages 58, 59 are arranged at equal intervals in the circumferential direction on the downstream side in the vicinity of the swirlers 53, 54. The fuel injected from the injection hole 62 of the premixed fuel nozzle portion 49 is mixed with the air A and mixed sufficiently in the premixing passage 63 to form a uniform and lean mixture, and then introduced into the combustion chamber 2a. The

このような構成のノズルにおいて、拡散燃料ノズル部４８から燃料が、その外側の環状の予混合燃料ノズル部４９から予混合気が、それぞれ燃焼室２ａ内に導入されて燃焼する。その際、予混合燃料ノズル部４９により低ＮＯｘ燃焼が行われる。このハイブリッド燃料ノズル４７を用いた燃焼器１においても、主として低出力時には、条件変動により、ハイブリッド燃料ノズル４７が吹き消えるおそれがある。そこで、図１に示した予混合燃料ノズル７の場合と同様に、イグナイタ４の近傍で、複数の予混合燃料ノズル７が配置された円上に、１〜２個配置している。これにより、拡散燃料ノズル６によって安定燃焼が維持された状態で、ハイブリッド燃料ノズル４７により低ＮＯｘ燃焼が行われる。したがって、確実な着火と優れた保炎性能が得られ、かつ低ＮＯｘ化が実現される。また、ハイブリッド燃料ノズル４７に変更を加える必要がなく、従来のハイブリッド燃料ノズル単独の燃焼器に対して僅かな改良を加えるだけで製造できるので、開発期間を短縮でき、生産性が高く、製造コストも低く抑えることができる。なお、拡散燃料ノズル６の下流には、図２に示した空気導入孔３５が形成されている。 In the nozzle having such a configuration, fuel is introduced from the diffusion fuel nozzle portion 48 and premixed gas is introduced from the annular premixed fuel nozzle portion 49 outside thereof into the combustion chamber 2a for combustion. At that time, the low-NOx combustion is performed by the premixed fuel nozzle portion 49. Even in the combustor 1 using the hybrid fuel nozzle 47, the hybrid fuel nozzle 47 may blow off due to a change in conditions mainly at low output. Thus, as in the case of the premixed fuel nozzle 7 shown in FIG. As a result, low NOx combustion is performed by the hybrid fuel nozzle 47 in a state where stable combustion is maintained by the diffusion fuel nozzle 6. Therefore, reliable ignition and excellent flame holding performance are obtained, and low NOx is realized. In addition, there is no need to change the hybrid fuel nozzle 47, and it can be manufactured by making a slight improvement over the conventional combustor with a single hybrid fuel nozzle. Therefore, the development period can be shortened, the productivity is high, and the manufacturing cost. Can be kept low. An air introduction hole 35 shown in FIG. 2 is formed downstream of the diffusion fuel nozzle 6.

次に、本発明に係るガスタービン燃焼器の着火性能を、実験結果を示す図４により説明する。同図における縦軸は、燃料と空気の重量比率（燃空比）と着火性能を示し、横軸は、燃焼器内の空気流量を示す。同図に示すように、比較例１としての予混合燃料ノズルのみを備えた低ＮＯｘガスタービン燃焼器（図中、〇印）では、空気と燃料が均一、かつ希薄に混合されているために、空気流量（横軸）の大小にかかわらず、比較例２として示す拡散燃料ノズルのみを備えたガスタービン燃焼器（図中、●印）よりも着火性能が劣っている。これに対して、本発明に係る予混合燃料ノズルと拡散燃料ノズルを備えたガスタービン燃焼器（図中、▲印）では、着火性能が大幅に向上している。予混合燃料ノズルに代えてハイブリッド燃料ノズルを使用した場合にも、ほぼ同一の結果が得られた。 Next, the ignition performance of the gas turbine combustor according to the present invention will be described with reference to FIG. 4 showing experimental results. In the figure, the vertical axis represents the weight ratio of fuel to air (fuel-air ratio) and ignition performance, and the horizontal axis represents the air flow rate in the combustor. As shown in the figure, in the low NOx gas turbine combustor (only a circle in the figure) having only the premixed fuel nozzle as Comparative Example 1, air and fuel are mixed uniformly and leanly. Regardless of the air flow rate (horizontal axis), the ignition performance is inferior to that of the gas turbine combustor having only the diffusion fuel nozzle shown as Comparative Example 2 (marked with ● in the figure). In contrast, the ignition performance of the gas turbine combustor (marked with a triangle in the figure) provided with the premixed fuel nozzle and the diffusion fuel nozzle according to the present invention is greatly improved. Similar results were obtained when hybrid fuel nozzles were used instead of premixed fuel nozzles.

図６は第２実施形態に係るガスタービン燃焼器２０を示している。この第２実施形態の燃焼器２０は、低出力時と高出力時とで燃料ノズルの運転状態を使い分けできるようにしたタイプのもので、基本部分は前記第１実施形態のガスタービン燃焼器と同一構成である。図６に示すガスタービン燃焼器２０では、環状の燃焼筒２１の頭部に、燃焼筒２１と同心の第１円Ｃ１上に環状に配置された外側ノズル列２２と、第１円Ｃ１よりも直径の小さい同心の第２円Ｃ２上に配置された内側ノズル列２３とが設けられている。このうち、前記外側ノズル列２２には、高出力領域（高負荷時）で作動する複数の予混合燃料ノズル２２ａが周方向に等間隔で配置されている。前記内側ノズル列２３には、高出力領域および低出力領域（低負荷時）の両方、つまり、全ての出力領域で作動する複数の予混合燃料ノズル２３ａおよび２本の拡散燃料ノズル２３ｂが配置されている。燃焼筒２１の外周壁２１ｃに２本のイグナイタ２４が配置され、各イグナイタ２４の先端が拡散燃料ノズル２３ａの近傍に向けられている。つまり、内側ノズル列２３が前記第１実施形態と同様なノズル構成となっている。 FIG. 6 shows a gas turbine combustor 20 according to the second embodiment. The combustor 20 of the second embodiment is of a type that can properly use the operating state of the fuel nozzle at the time of low output and at the time of high output, and the basic part is the same as that of the gas turbine combustor of the first embodiment. It is the same configuration. In the gas turbine combustor 20 shown in FIG. 6, an outer nozzle row 22 arranged annularly on a first circle C <b> 1 concentric with the combustion cylinder 21 at the head of the annular combustion cylinder 21, and the first circle C <b> 1. An inner nozzle row 23 disposed on a concentric second circle C2 having a small diameter is provided. Among these, in the outer nozzle row 22, a plurality of premixed fuel nozzles 22 a that operate in a high output region (at the time of high load) are arranged at equal intervals in the circumferential direction. In the inner nozzle row 23, a plurality of premixed fuel nozzles 23a and two diffusion fuel nozzles 23b that operate in both the high output region and the low output region (at the time of low load), that is, all output regions are arranged. ing. Two igniters 24 are arranged on the outer peripheral wall 21c of the combustion cylinder 21, and the tip of each igniter 24 is directed to the vicinity of the diffusion fuel nozzle 23a. That is, the inner nozzle row 23 has the same nozzle configuration as in the first embodiment.

このような構成の燃焼器２０は、図７に示すように、燃焼筒２１を内筒として、ハウジングとなる外筒２５内に内筒２１を収容しており、両ノズル列２２，２３は、内筒２１の頂壁２１ｂに配置され、ステム２７，２８によって外筒２５にそれぞれ支持されている。燃料Ｆは、全ての出力領域でステム２８内の燃料通路２６ａを経て、内側ノズル列の予混合燃料ノズル２３ａおよび拡散燃料ノズル２３ｂに供給され、高出力時には、内側ノズル列２３に加えて、ステム２７内の燃料通路２６ｂを介して外側ノズル列２２の予混合燃料ノズル２２ａにも供給されるようになっている。空気Ａは、燃焼筒（内筒）２１と外筒２５とで囲まれる圧縮空気通路を通って外側ノズル列２２および内側ノズル列２３に導入される。 As shown in FIG. 7, the combustor 20 having such a configuration has the combustion cylinder 21 as an inner cylinder, and the inner cylinder 21 is accommodated in an outer cylinder 25 serving as a housing. It arrange | positions at the top wall 21b of the inner cylinder 21, and is supported by the outer cylinder 25 by the stems 27 and 28, respectively. The fuel F is supplied to the premixed fuel nozzle 23a and the diffusion fuel nozzle 23b of the inner nozzle row through the fuel passage 26a in the stem 28 in all output regions, and in addition to the inner nozzle row 23, the stem at the time of high output. 27 is also supplied to the premixed fuel nozzle 22a of the outer nozzle row 22 via the fuel passage 26b in the engine 27. The air A is introduced into the outer nozzle row 22 and the inner nozzle row 23 through a compressed air passage surrounded by the combustion cylinder (inner cylinder) 21 and the outer cylinder 25.

上記構成において、まず、始動着火時には、図６のイグナイタ２４の点火によって内側ノズル列２３の拡散燃料ノズル２３ｂが着火される。拡散燃料ノズル２３ｂが着火されると、その高温の燃焼ガスにより、これに隣接する内側ノズル列２３の予混合燃料ノズル２３ａに火炎が伝播し、連鎖的に内側ノズル列２３のすべてのノズルが着火する。このとき、外側ノズル列２２の予混合燃料ノズル２２ａへの燃料供給は停止したままにしておく。この状態で低出力領域での運動が行われる。一方、高出力領域に入る場合には、前記内側ノズル列２３のみならず、外側ノズル列２２の予混合燃料ノズル２２ａにも燃料を供給することで、前記内側ノズル列２３からの火炎が外側ノズル列２２の予混合燃料ノズル２２ａに伝播し、予混合燃料ノズル２２ａが着火する。 In the above configuration, first, at the time of starting ignition, the diffusion fuel nozzle 23b of the inner nozzle row 23 is ignited by ignition of the igniter 24 of FIG. When the diffusion fuel nozzle 23b is ignited, the high-temperature combustion gas causes a flame to propagate to the premixed fuel nozzle 23a of the inner nozzle row 23 adjacent thereto, and all the nozzles of the inner nozzle row 23 are ignited in a chained manner. To do. At this time, the fuel supply to the premixed fuel nozzle 22a of the outer nozzle row 22 is kept stopped. In this state, exercise in a low output region is performed. On the other hand, when entering the high output region, not only the inner nozzle row 23 but also the premixed fuel nozzles 22a of the outer nozzle row 22 are supplied with fuel, so that the flame from the inner nozzle row 23 is changed to the outer nozzle. Propagation to the premix fuel nozzles 22a in the row 22 causes the premix fuel nozzles 22a to ignite.

このようにして、低出力領域での作動では、内側ノズル列２３のノズル２３ａ，２３ｂのみが着火し、高出力領域での作動では、内側ノズル列２３および外側ノズル列２２の両方のノズル２２ａ，２３ａ，２３ｂが着火する。このように、低出力領域と高出力領域とで燃焼器２０の各ノズル列２２，２３の使い分けを行うことにより、全ての出力領域で燃料が過度に希薄または過濃になりすぎることなく燃焼させることが可能となり、燃焼効率が向上するとともに、低ＮＯｘ化も実現できる。 In this way, only the nozzles 23a and 23b of the inner nozzle row 23 are ignited in the operation in the low output region, and the nozzles 22a and both of the inner nozzle row 23 and the outer nozzle row 22 in the operation in the high output region. 23a and 23b are ignited. In this way, by properly using the nozzle rows 22 and 23 of the combustor 20 in the low output region and the high output region, the fuel is burned without being excessively lean or excessively rich in all the output regions. This makes it possible to improve combustion efficiency and to reduce NOx.

この第２実施形態にかかるガスタービン燃焼器２０では、第１実施形態と同様、基本的に着火用および保炎用のノズルを拡散燃料ノズル２３ｂとし、低ＮＯｘ燃焼用のノズルを予混合燃料ノズル２２ａ，２３ａとしたので、低出力運転および高出力運転の両方において、安定燃焼と低ＮＯｘ化を実現することができる。 In the gas turbine combustor 20 according to the second embodiment, the ignition and flame holding nozzles are basically the diffusion fuel nozzles 23b and the low NOx combustion nozzles are the premixed fuel nozzles, as in the first embodiment. Since 22a and 23a are used, stable combustion and low NOx can be realized in both the low output operation and the high output operation.

前記第２実施形態において、予混合燃料ノズル２２ａ，２３ａに代えて、図４に示したハイブリッド燃料ノズル４７を使用することもできる。また、第２実施形態とは異なり、内側ノズル列２３を高出力で作動させ、外側ノズル列２２を全ての出力領域で作動させる配置とすることでもでき、その場合、拡散燃料ノズルは外側ノズル列２２に設けられる。 In the second embodiment, the hybrid fuel nozzle 47 shown in FIG. 4 may be used instead of the premixed fuel nozzles 22a and 23a. Further, unlike the second embodiment, the inner nozzle row 23 can be operated at a high output and the outer nozzle row 22 can be operated in all output regions. 22 is provided.

本発明の第１実施形態に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。1 is a front view showing a gas turbine combustor according to a first embodiment of the present invention. 図１のII−II線に沿った拡大断面図である。It is an expanded sectional view along the II-II line of FIG. 図１のIII −III 線に沿った拡大断面図である。。FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along line III-III in FIG. 1. . 同第１実施形態の変形例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the 1st Embodiment. ガスタービン燃焼器の着火性能および低ＮＯｘ性能を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the ignition performance and low NOx performance of a gas turbine combustor. 本発明の第２実施形態に係るガスタービン燃焼器を示す正面図である。It is a front view which shows the gas turbine combustor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図６のVII −VII 線に沿った拡大断面図である。It is an expanded sectional view along the VII-VII line of FIG.

Explanation of symbols

１，２０ガスタービン燃焼器
２，２１燃焼筒
２ａ燃焼室
３燃料供給装置
６，２３ｂ拡散燃料ノズル
７，２２ａ，２３ａ予混合燃料ノズル
４，２４イグナイタ
２２外側ノズル列
２３内側ノズル列
３５空気導入孔
４７ハイブリッド燃料ノズル
４８拡散燃料ノズル部
４９予混合燃料ノズル部
Ａ空気
Ｆ燃料 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,20 Gas turbine combustor 2,21 Combustion cylinder 2a Combustion chamber 3 Fuel supply device 6, 23b Diffusion fuel nozzle 7, 22a, 23a Premix fuel nozzle 4,24 Igniter 22 Outer nozzle row 23 Inner nozzle row 35 Air introduction hole 47 Hybrid fuel nozzle 48 Diffusion fuel nozzle part 49 Premix fuel nozzle part A Air F Fuel

Claims

A gas turbine combustor including an annular combustion cylinder that forms a combustion chamber therein, a fuel supply device that supplies fuel into the combustion chamber, and an igniter,
The fuel supply device operates in all output regions, mixes fuel and air, supplies the fuel to the combustion chamber, and performs lean premix combustion, and injects fuel into the combustion chamber. A diffusion fuel nozzle that performs diffusion combustion while mixing with air,
The premix fuel nozzle and the diffusion fuel nozzle are arranged on a single circle concentric with the annular combustion cylinder;
A gas turbine combustor in which the diffusion fuel nozzle is disposed in the vicinity of the igniter.

The difference between the amount of air flowing in from the premixed fuel nozzle and the amount of air flowing in from the diffusing fuel nozzle is located in the combustion cylinder on the downstream side of the diffusing fuel nozzle in the axial direction. A gas turbine combustor provided with an air inlet hole for introducing a corresponding amount of air into the combustion chamber.

3. The diffusion fuel nozzle according to claim 1, wherein a hybrid fuel nozzle is provided instead of the premixed fuel nozzle, and the hybrid fuel nozzle performs diffusion combustion while injecting fuel into the combustion chamber and mixing it with air. And an annular premixed fuel nozzle portion that is coaxially disposed so as to cover the outside thereof, mixes fuel and air, and then supplies the fuel to the combustion chamber to perform lean premixed combustion. Turbine combustor.